Universitatea ”Ștefan cel Mare - USV · 4.2 Test de iradiere cu fascicul de 200 MeV protoni ......

Universitatea ”Ștefan cel Mare” Suceava Facultatea de Iniginerie Electrică și Știința Calculatoarelor

Domeniul: Inginerie Electronică și Telecomunicații

Contribuții la testarea și caracterizarea dispozitivelor

electronice cu aplicații în experimentele

”Large Hadron Collider” (LHC)

TEZĂ DE DOCTORAT

- Rezumat -

Conducător științific:

Prof. univ. dr. ing. Valentin POPA Autor:

Ing. Lucian-Nicolae COJOCARIU

Comisia de îndrumare:

Prof. univ. dr. ing. Mihai DIMIAN

Prof. univ. dr. ing. Alin POTORAC

Conf. univ. dr. Aurelian ROTARU

~ SUCEAVA 2017 ~

i

Cuprins

Listă de abrevieri .......................................................................................................................... iii Introducere .................................................................................................................................... 1 1. Experimentul LHCb la CERN ............................................................................................ 3

1.1 Arhitectura detectorului LHCb .............................................................................. 4

1.2 Sub-detectorii RICH și sistemul de fotodetecție .................................................... 5

1.3 Programul de modernizare RICH .......................................................................... 6

2. Efectele radiației în dispozitive semiconductoare ............................................................. 7

3. Multi Anode Read-Out Chip .............................................................................................. 9

3.1 Standul de test pentru iradierea MAROC3 ......................................................... 10

3.2. Teste de iradiere cu fascicul de raze X ................................................................. 11

3.3 Concluzii și contribuții ........................................................................................... 13

4. Spatial Photomultiplier Array Counting and Integrating ReadOut Chip ................... 15

4.1 Stand de test automatizat pentru iradiere ........................................................... 15

4.2 Test de iradiere cu fascicul de 200 MeV protoni ................................................. 17


5. FPGA pentru experimente de fizica energiilor înalte ..................................................... 23

5.1 Iradierea cu ion grei a FPGA-ului KINTEX-7 .................................................... 24

5.2 Teste de iradiere cu 200 MeV protoni .................................................................. 26


Concluzii și contribuții personale .............................................................................................. 29

iii

Listă de abrevieri

ADC Analog to Digital Converter

ASCII American Standard Code for Information Interchange

ASIC Application Specific Integrated Circuit

BiCMOS Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor

BRAM Block Random Access Memory

CERN Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară

CLB Configuration Logic Bloc

COTS Commercial Off-The-Shelf

CRAM Configuration memory

DAC Digital to Analog Converter

DAQ Data Acquisition

DD Displacement damage

DRAM Dynamic Random Access Memory

DUT Device under test

EC Elementary Cell

ECAL Electromagnetic Calorimeter shashlik type;

FPGA Field Programmable Gate Array

GBT Giga-Bit Transceivers

GPIO General-Purpose Input/Output

GUI Graphical User Interface

HIF Heavy Ion Irradiation Facility

HKMG High K Metal Gate

HPD Hybrid Photo Detector tube

I2C Inter-Integrated Circuit interface

IC Integrated Circuit

IFIN-HH Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizică și Inginerie Nucleară

Horia Hulubei

IT Inner Tracker

JEM-EUSO Japanese Experiment Module - Extreme Universe Space Observatory

JTAG Joint Test Action Group interface

LET Linear Energy Transport

LHC Large Hadron Collider

LHCb Large Hadron Collider beauty

LS2 Second Long Shutdown

M1 - M5 Muon station

MaPMT Multi Anode Photomultiplier tube

MAROC Multi Anode Read-Out Chip

MBU Multibit Upset

MOS Metal Oxide Semiconductor

NIL Non-Ionizing Energy Loss

OT Outer Tracker

PCB Printed Circuit Board

iv

p-e photoelectron

PSI Paul Scherrer Institute

RICH Ring Imaging Cherenkov detector

SBU Single Event Burnout

SEE Single Event Effect

SEFI Single Event Function Interrupt

SEGR Single Event Gate Rupture

SEL Single Event Latchup

SEM IP Soft Error Mitigation Core

SET Single Event Transient

SEU Single Event Upset

SiO2 Silicon dioxide

SMPS Switching Mode Power Supply

SPACIROC Spatial Photomultiplier Array Counting and Integrating Readout Chip

SPI Serial Peripheral Interface

SRAM Static Random Access Memory

T1 - T3 Tracking stations

TID Total Ionising Dose

TMR Triple Modular Redundancy

TS Tracking System

TT Trigger Tracker

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter interface

USB Universal Serial Bus interface

VELO Vertex Locator system

VLSI Very Large Scale of Integration

1

INTRODUCERE

Introducere

Aplicațiile de ultimă generație din domeniul comunicațiilor wireless, servicii de bandă

largă, avionică, stații spațiale și detectori pentru experimentele de fizica energiilor înalte se

bazează pe dispozitive semiconductoare de ultimă generație. Urmând legea lui Moore, numărul

circuitelor VLSI compacte obținute a crescut ca rezultat al progresului remarcabil realizat în

fizică și producția tehnologică a monocristalelor semiconductoare. Deteriorarea parametrilor

electrici ai dispozitivelor semiconductoare este cauzată de imperfecțiuni structurale și de

concentrația nesemnificativă de impurități. Funcționarea în medii ostile, în special în cele cu

radiații ionizate, produc în semiconductor modificări ale proprietăților sale electro-fizice.

În decursul timpului, mai multe grupuri de cercetători au realizat studii extinse menite să

evidențieze comportamentul dispozitivelor electronice în prezența radiaților ionizate, respectiv

a fenomenelor fizice care au loc datorită expunerii semiconductorului la radiații. Progresul atins

de fizica semiconductorilor toleranți la radiații ne permite să concepem dispozitive electronice

rezistente în aceste medii extreme. Ciclul de viață al unui circuit semiconductor depinde de

spectrul de particule și de distribuția energetică a câmpului radioactiv pentru fiecare mediu de

radiație în parte. Aparatura electronică resimte efectele cauzate de radiațiile ionizante în medii

precum: spațiu, centrale nucleare, detectori utilizați în experimentele fizicii energiilor înalte,

inclusiv radiațiile induse în procesul de producție și fondul natural de radiații.

Experimentele din fizica energiilor înalte, în particular cele realizate pe ”Large Hadron

Collider” (LHC) la CERN, necesită dispozitive electronice capabile să funcționeze în câmpul

mixt de radiații din interiorul tunelului acceleratorului, dar și în detectorii experimentelor. Prin

urmare, un mediu ostil pentru aparatura electronică este cauzat de rata ridicată a particulelor cu

o intensitate ridicată care vin, în general, de la interacțiunea principală hadron-hadron și de la

materialul activat din mașina LHC. Câmpul mixt de radiații de la LHC constă în hadroni cu

spectrul de energice începând cu 0.025 eV (neutroni termici) până la sute de GeV. Aceasta

reprezintă o problemă constantă pentru electronica încorporată în infrastructura complexului de

acceleratori de la CERN. Fondul de radiații din interiorul LHC are două surse principale, și

anume: prima este dată de ciocnirea frontală a celor două fascicule proton-proton sau de plumb-

plumb din interiorul detectorilor. În timp ce cea de-a doua sursă constă în pierderi ale

fascicolului de-a lungul tunelului acceleratorului produse prin interacțiunea dintre protoni și

gaze reziduale sau materiale aflate în apropierea liniei de fascicul.

În imediată proximitate a fasciculelor accelerate sunt elemente, precum: ferestrele de

fascicul, colimatoare, sistemul de absorbție a energiei particulelor accelerate (punct de

pierdere), creostate, magneți și cabluri. Toate aceste materiale interacționând cu fasciculul de

protoni conduc la o cascadă hadronică alcătuită din particule secundare, precum: protoni,

neutroni, pion, kaon, electroni și pozitroni rezultați din interacția principală. Din rândul acestor

particule, câteva pot deține suficientă energie pentru a contribui la producția particulelor

terțiare, fenomen ce poate continua atunci când particulele dețin suficientă energie.

Principala constrângere din punct de vedere tehnic pentru electronica și sistemele de

control din complexul de acceleratori LHC este factorul dat de toleranța la radiații a

dispozitivelor semiconductoare, mai exact a circuitelor de tip ASIC (Application Specific

Integrated Circuits) sau a celor selectate de pe piața dispozitivelor electronice, uzual COTS

(Commercial Off-The-Shelf).

Un program de modernizare este în desfășurare în cea de-a doua întrerupere a LHC-ului,

generic denumita LS2 (Second Long Shutdown), programată pentru anul 2018, având ca

principal scop îmbunătățirea performanțelor detectorilor LHC. Câțiva din sub-detectori aflați

în detectorul LHCb vor fi modernizați, alături de cele doi sub-detectori RICH (Ring Imaging

Cherenkov) ce vor fi reproiectați să funcționeze la o rata de trecere pentru un fascicol de protoni

2

INTRODUCERE

egală cu 25 ns. Sistemul lor de fotodetecție va fi reproiectat folosind arhitectura electronică

alcătuită atât cu dispozitive COTS, cât și cu ASIC-uri rezistente la radiații. Pentru această etapă

a fost prevăzută o campanie de testare a rezistenței la radiații pentru dispozitivele electronice

destinate a fi utilizate în sistemele de fotodetecție a sub-detectorilor RICH. Grupul LHCb

România s-a implicat în această campanie de iradieri prin realizarea unor teste pe ASIC-ul

MAROC3 și pentru un FPGA (Field Programmable Gate Array) din familia KINTEX-7 a

producătorului Xilinx. Un al treilea cip, SPACIROC2, a fost investigat datorită faptului că are

blocuri funcționale în arhitectura sa ce vor fi reutilizate în următoarea generație a familiei

MAROC. Testele de iradiere au fost efectuate cu fascicule monoenergetice, iar rezultatele

analizelor de date sunt prezentate în cele ce urmează. În plus, pentru fiecare cip rezultatele sunt

extrapolate la condițiile nominale din detectorul LHCb.

Lucrarea de față prezintă studiul realizat pentru evaluarea toleranței la radiații a trei

circuite integrate, unul fiind implementat în tehnologia 28 nm HKMG (High K Metal Gate), iar

celelalte două în tehnologia de 0.35 µm SiGe BiCMOS.

Primul capitol oferă o imagine de ansamblu asupra infrastructurii de acceleratori de la

CERN începând cu un scurt istoric privind organizarea și continuitatea programului de fizică și

a celor patru mari experimente de pe inelul LHC. O descriere detaliată a detectorului LHCb

este oferită, în special a sub-detectorilor RICH din programul de modernizare. Noul sistem de

fotodetecție este prezentat alături de campaniile de iradiere pentru testarea unor circuite

integrate.

Cel de-al doilea capitol prezintă efectele radiației în dispozitivele semiconductor

împreună cu o imagine de ansamblu asupra terminologiei din domeniu. De asemenea, pe

parcurs sunt date câteva tehnici de creștere a imunității la radiații pentru dispozitivele

semiconductoare.

Capitolul trei descrie arhitectura cipului MAROC3, standul automatizat de test conceput,

alături de modul de implementare în vederea realizării testelor de iradiere. Considerat o soluție

de rezervă pentru plăcile de ”front-end” a sistemul de fotodetecție din sub-detectorii RICH,

acest circuit integrat este tolerant la radiații din proiectare și a fost trimis pentru testare. Câteva

eșantioane au fost iradiate folosind un spectru continuu de raze X în intervalul 20-100 keV, iar

vârful de 56 keV corespunzând catodului de tungsten. O secțiune specială a fost dedicată

prezentări rezultatelor obținute în urma analizei și interpretări datelor.

Capitolul patru prezintă arhitectura cipului SPACIROC2 care servește drept referință

pentru viitoarea generație de ASIC-uri din familia MAROC. Acest circuit integrat cu un consum

redus de putere, a fost conceput pentru o aplicație spațială în vederea prelucrării semnalelor

generate de tuburile fotomultiplicatoare (MaPMT) ce vor echipa telescopul JEM-EUSO

(Extrem Universe Space Observatory). Moștenit de la MAROC3, standul de test a fost adaptat

pentru monitorizarea în timp real a parametrilor electrici ai cipului SPACIROC2 în timpul

testelor de iradiere. Toleranța acestuia la radiații a fost testată cu un fascicul de proton de 200

MeV, iar datele înregistrate au permis explicarea comportarea acestui ASIC în prezența

radiației.

Capitolul cinci este dedicat măsurătorilor pentru testarea toleranței la radiații a unui

FPGA din familia KINTEX-7 produsă de XILINX, propus ca principală componentă pentru

placa digitală a sistemului de fotodetecție din RICH. Un stand de test a fost conceput,

respectând constrângerile impuse de testarea în radiații, precum o procedură de subțiere a

cipului în vederea efectuării testelor. Monitorizarea datelor cu ajutorul standului de test putând

fi realizată și în interiorul vasului de iradiere. Datele obținute în urma testelor cu fascicol de ion

grei și protoni a dispozitivului sunt prezentate.

3

CAPITOLUL 1

1. Experimentul LHCb la CERN

Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară (CERN) găzduiește un complex de

acceleratori unic împreună cu patru mari experimente: ATLAS, CMS, LHCb și ALICE. Un

program extins de cercetare în fizica particulelor elementare este în curs de desfășurare, iar prin

intermediul detectorilor se strâng cantități importante de date rezultate în urma coliziunii între

fascicolele de protonilor sau a ionilor grei. Exploatarea potențialul maxim pe care îl poate oferi

infrastructura LHC și îmbunătățirea datelor luate de la detectori va fi posibilă după a treia

închidere de lungă durată (LS3) din 2025.

După încheierea în 2014 a LS1, mașina LHC a fost modernizată să funcționeze la energia

sa nominală ce permite ciocnirea celor două fascicole, accelerate în sens invers, la o energie de

14 TeV. În prezent, complexul și schema, reprezentate în figura1-1, a complexului de

acceleratori de la ce CERN este formată din șase acceleratori și un decelerator.

Figura 1-1 Complexul de acceleratori CERN.

Cele patru puncte de interacțiune, pe două inele ale mașini acceleratorului LHC, sunt

asociate cu patru mari experimente care dețin următoarele acronime: ATLAS (A Toroidal Large

Hadron Collider Apparatus), CMS (Compact Muon Solenoid), ALICE (A Large Ion Collider

Experiment) și LHCb (Large Hadron Collider beauty).

LHCb este un experiment la LHC ce are drept scop cercetarea, în aria așa zisei fizici noi,

dovezilor indirecte din încălcarea mecanismului Sarcină-Paritate CP (Charged-Parity),

împreună cu măsurile precise a dezintegrărilor rare ale hadronilor ”beauty” și ”charm”. O

particularitate în diferențierea acestor hadroni de aroma grea din fond constă în durata lor lungă

de viață, precum 1,51 ps pentru hadronul B și 0,41 ps pentru hadronul D0. Asemenea particule

4

CAPITOLUL 1

parcurg doar câțiva milimetrii în cele mai multe cazuri de dezintegrare ca urmare a impulsului

mare de producție în combinație cu durata de viață.

Observând dezintegrarea unor astfel de particule s-a putut înțelege în profunzime

structura materiei și a forțelor care guvernează lumea sub-atomică. Un an de date culese la

LHCb, cu o luminozitate de 2x1032 cm-2s-1, înseamnă aproximativ 1012 perechi de hadroni bb

ce vor fi produși în 107 s din totalul timpului de funcționare al facilități. Un prim avantaj al

funcționării detectorului LHCb la această modestă luminozitate este susținută de evenimentele

ce au loc ca rezultat al unei singure interacții proton-proton. În consecință, datele sunt simplu

de analizat comparativ cu situația în care mai multe interacții primare proton-proton au loc. Pe

lângă acestea, la o luminozitate mică efectele radiațiilor ionizante sunt reduse în electronica din

sub-detectorii care operează în apropiere de punctul de interacție sau de linia de fascicul.

1.1 Arhitectura detectorului LHCb

Experimentul LHCb este favorizat de arhitectura detectorului care joacă rolul unui

spectrometru cu un singur braț având o acceptanță unghiulară pe direcția înainte pornind de la

10 mrad până la 300 mrad în planul de curbare a traiectoriei particulelor, în timp ce în planul

fix de la 10 mrad la 250 mrad. Aflat în locația denumită ”Point 8” a mașinii LHC, detectorul

LHCb are o geometrie realizată din sub-detectori specializați în identificarea particulelor,

reconstruirea traiectoriei lor și măsurarea momentului. O secțiunea transversală a detectorului

LHCb este prezentată în figura 1-2 atribuind sistemului de coordonate ortogonal de mâna

dreaptă cu axa Z de-a lungul liniei de fascicul și axa Y pe parcursul vertical.

Figura 1-2 Secțiune transversală al unui detector LHCb.

În planul fix Y-Z este reprezentat un magnet bipolar, linia de fascicul, precum și sub-

detectori ce fac parte din ”Tracking System” (TS) și Sistemul de Identificare al Particulei (PID).

Părțile componente ale LHCb sunt:

• VELO –” the Vertex Locator system, including a pile-up veto counter”;

• TT – ”trigger tracker”;

• T1, T2, T3 – ”tracking station consisting of Outer Tracker (OT) and Inner Tracker (IT) ”;

5

CAPITOLUL 1

• RICH1, RICH2 – ”Ring Imaging Cherenkov sub-detectors”;

• SPD, PS – ”Scintillator Pad Detector and Preshower”;

• ECAL – ”Electromagnetic Calorimeter shashlik type”;

• HCAL – ”Hadronic Calorimeter”;

• M1, M2, M3, M4, M5 – ”muon detection system”.

1.2 Sub-detectorii RICH și sistemul de fotodetecție

Un element esențial în programul de fizică de înaltă energie la LHCb este abilitatea

identificări particulelor dezintegrate de tip b hadron. Particulele în starea finala sunt pionii,

kaonii și protoni, în cazul acestor dezintegrări. Identificarea particulelor este realizată prin

combinarea măsurări vitezei particulelor cu informațiile legate de momentul lor permițând mai

departe calcularea masei individuale a particulelor. Sistemul de urmărire măsoară traseul

particulelor cu traiectorie curbată de câmpul magnetic și, prin urmare, momentului lor. Pentru

măsurarea vitezei sunt folosiți detectori Ring Imaging Cherenkov (RICH), cu principiul de

funcționare bazat pe radiația Cherenkov. Efectul Cherenkov este dat de particulele încărcate

care trec prin materialul dielectric cu o viteză mai mare decât viteza lumini în același mediu,

fapt ce determină generarea de fotoni ca urmare a trecerii particulei prin acel mediu.

Figura 1-3 Secțiune transversală a arhitecturi sub-detectorului RICH1 (în stânga) și 3D (în

dreapta).

Figura 1-4 Arhitectura sub-detectorului RICH2 văzută de sus (în stânga) și reprezentarea ei

3D (în dreapta).

6

CAPITOLUL 1

În sistemul de identificare a particulelor detectorul LHCb utilizează un lanț de două sub-

detectoare RICH pentru a acoperi în întregime un interval de moment de la 1 GeV până la 150

GeV. Atât RICH1, cât și RICH2 se bazează pe același principiu de funcționare, concept și

tehnologie. Fotoni Cherenkov emiși într-un con, când un hadron încărcat trece prin materialul

radiator, sunt focalizați cu oglinzi sferice, apoi reflectați folosind oglinzi plate pe planurile de

fotodetecție situate dincolo de acceptanța detectorului LHCb. Ambii sub-detectori sunt echipați,

individual, cu două planuri de fotodetecție. RICH1 are planurile de fotodetecție amplasate

deasupra și sub linia de fascicul, vezi figura 1-3, în timp ce cele din RICH2 sunt situate în

laterala acesteia, vezi figura 1-4. Fotoni Cherenkov din lanțurile sub-detectorilor RICH sunt

colectați folosind zone mari de fotodetecție echipate cu tuburi hibride foto-detectoare (HPD).

1.3 Programul de modernizare RICH

Prevăzut să înceapă în 2018, programul de modernizare RICH implică reproiectarea

sistemului de fotodetecție. Detecția fotonilor Cherenkov va fi implementată folosind o soluție

comercială cu MaPMT. Toate dispozitivele semiconductoare ce fac parte din lanțul de achiziție

pentru MaPMT și populează asa numitele plăci ”front-end”, respectiv plăcile digitale, trebuie

să reziste la câmpul mixt de radiație din interiorul detectorului LHCb. Planurile de fotodetecție,

populate cu MaPMT, vor beneficia de un sistem electronic de achiziție care va funcționa la

frecvența de ceas a LHC-ului, și anume 40 MHz. O versiune preliminară a arhitecturi generale

pentru sistemul de achiziție este prezentată în figura 1-5.

Figura 1-5 Noul sistem de achiziție al sistemului de fotodetecție pentru sub-detectorilor

RICH și modulele de citire date TELL40s.

Plăcile ”front-end ” folosite la discretizarea semnalelor generate de MaPMT și transmiterea

mai departe, de către ASIC, a datelor ce vor fi supuse unei proceduri de formatare, efectuată de

placa digitală, pentru a îndeplini cerințele cerute de protocolul transmisiuni pe fibră optică giga

bit GBT. Mai apoi, datele sunt trimise prin fibre optica în camera de numărare unde se află

modulele de recepție TELL40. Scopul acestui modul de bază TELL40 FPGA fiind sortarea

datelor venite de la fiecare sub-detector înaintea de a ajunge la ferma de calculatoare. În final,

datele culese de la ambii sub-detectori RICH ajung la ferma de calculatoare ce realizează

reconstrucția evenimentului, filtrarea datelor și stocarea acestora.

7

CAPITOLUL 2

2. Efectele radiației în dispozitive semiconductoare

În experimentele LHC cele două fascicole de protoni se ciocnesc frontal la un interval de

25 ns lăsând în urmă un mediu de radiație agresiv. Aplicațiile și echipamentele electronice

utilizate în fizica energiilor înalte, avionică, sonde spațiale și aplicații militare necesită

dispozitive electronice tolerante la radiații pentru a putea funcționa corespunzător în mediile cu

radiație. Diferite tipuri de efecte induse de radiație pot avea loc în structura cristalină a

dispozitivele semiconductoare în funcție de tipul de particule care trece prin structura și energia

lor cinetică. Aceste efecte sunt clasificate în două grupe, prima, reprezentată de efectele

cumulative, apare gradual datorită acumulări dozelor de radiații ionizante în timp. Cel de-al

doilea grup al efectelor singulare, ”Single-Event Effects” (SEE), poate fi declanșat de o singură

particulă foarte ionizată ce cauzează o depunere foarte localizată de sarcină electrică în straturile

semiconductoare.

O vedere de ansamblu al efectelor induse de radiații este prezentată în figura 2-1, iar

fiecare efect va fi prezentată în detaliu în rândurile care urmează.

Figura 2-1 Efectele induse de radiație în dispozitive semiconductoare.

8

CAPITOLUL 2

Pierderea non-ionizantă de energie NIEL (Non-Ionizing Energy Loss) este un proces

fizic guvernat de pierderea energie de către particulel care trec prin materialul respectiv și

cauzează dislocarea atomilor din rețeaua cristalina a materialului. Ioni generați prin NIEL pot

interacționa cu nucleul și nu cu învelișul electronic al atomilor din rețeaua cristalină. Această

interacțiune poate fi elastică sau neelastică în urma căruia rezultă nuclee reziduale, protoni și

electroni.

”Displacement damage” (DD) este un proces declanșat în principiu de particule neutre,

de exemplu neutroni, ce conduce la dislocarea atomilor sau chiar la o avalanșă de dislocări a

atomilor din structura semiconductoare a dispozitivului.

Doza Total Ionizantă TID (”Total Ionising Dose”) afectează în principiu dispozitivele

din tehnologia MOS, în special substratul și proprietățile stratului izolator prin formarea de

centre capcană și procese de interfață.

Eveniment singular de tip SET (Single Event Transient) este de fapt o perturbare rapidă

în curent sau tensiune ca urmare imediată a parcurgerii structurii semiconductoare de către o

particulă.

Eveniment singular de tip SEU (Single Event Upset) este un fenomen ce duce la

schimbarea stării logice sau a unui eveniment de tip SET interpretat drept semnal valid în

celulele de memorie semiconductoare, deci o schimbare de bit logic

Eveniment singular de tip MBU (Multi Bit Upset) este cauzat de o singură particulă

foarte energetică ce poate declanșa mai multe evenimente SEU fie în celulele atât SRAM, cât

și în DRAM sau altă tehnologie de stocare pe bază de semiconductor.

Eveniment singular de tip SEFI (Single Event Function Interrupt) este un fenomen ce

apare în circuitele integrate complexe și se manifestă ca o perturbare în modul normal de

funcționare a dispozitivului ca urmare a lovirii unui volum semiconductor sensibil din

arhitectura sa de către o particulă foarte energetică.

Eveniment singular de tip SEL (Single Event Latchup) conduce la o curgere regenerativă

de curent, condiție declanșată de o structură de tiristor format din două tranzistoare parazite,

prin urmare o cale de rezistență minimă se formează între căile de alimentare ale circuitului

integrat când acesta este lovit de o particulă încărcată energetic ce depune suficientă sarcină în

structura semiconductoare punând în stare de conducție structura parazită.

Eveniment singular de tip SEGR (Single Event Gate Rupture) se declanșează în

tranzistoarele MOS și cauzează o străpungere localizată a materialului dielectric din poarta

tranzistorului atunci când un singur ion greu încărcat energetic lovește regiunea porții.

Eveniment singular de tip SEB (Single Event Burnout) este un mecanism de distrugere

completă a dispozitivului întâlnit în mod special atât în tranzistoarele de putere MOSFET, cât

și în cele bipolare atunci când sunt expuse la ioni grei, neutroni și protoni.

9

CAPITOLUL 3

3. Multi Anode Read-Out Chip

Centrul pentru dezvoltarea și proiectarea dispozitivelor microelectronice CNRS-IN2P3-

Ecole Polytechnique sau pe scurt OmegaMICRO dispune de gamă largă de ASIC-uri dedicate

părții de ”front-end” a detectorilor și senzorilor din domeniul experimentelor de astrofizică,

fizica particulelor elementare și nucleară, alături de imagistica medicală. Una dintre aceste serii

este familia de cipuri Multi Anode Read-Out (MAROC) concepută pentru discretizarea

semnalelor de la MaPMT sau unei tehnologi similare de foto-detectori. În contextul

programului de modernizare LHCb, MAROC3 a fost considerat ca soluție de rezervă pentru

”front-end” cei doi sub-detectori RICH.

Cipul MAROC3 a fost implementat în tehnologia AMS SiGe 0.35 µm cu un consum de

putere de 3,5 mW/canal, a se vedea arhitectura bloc în figurz 3-1. Acest ASIC este dedicat, în

principiu, să citească cele 64 de canale ale MaPMT-ului. În privința performanțelor stabilite

prin design, MAROC3 a fost implementat: să corecteze dispersia de fabricație a MaPMT-ului

de la canal la canal; să genereze 64 de semnale trigger corespunzătoare celor 64 de anozi ai

tubului fotomultiplicator; să proceseze cu o eficiență de triggere de 100% semnalele începând

cu 50 fC sarcină electrică (echivalentul unui 1/3 foto-electron) și maxim până la 1,6 pC,

interferentă de 1% între canale și de zgomot de 2 fC.

Figura 3-1 Schema bloc pentru ASIC-ul MAROC3.

10

CAPITOLUL 3

3.1 Standul de test pentru iradierea MAROC3

În pregătirile pentru procedura de testare la radiații a cipului MAROC3, pentru câmpul

mixt de radiați din sub-detectori RICH, parametrii nominalizați pentru monitorizare au fost

stabiliți de comun acord de grupul român LHCb și de grupul ce a proiectat a ASIC-ului.

Procedura adoptată implică monitorizarea parametrilor pentru MAROC3 enumerați în tabelul

3-1. Primă listă de parametri trebuie monitorizați înainte și după fiecare doză de radiație depusă,

în timp ce a doua listă este monitorizată pe parcursul depozitări dozei. O analiză ulterioară a

fiecărui parametru înregistrat poate scoate în evidență semne ale efectelor induse de radiații.

Prin corelarea evoluției parametrilor înregistrați în timp se poate face diferența între diferitele

tipurilor de efecte induse de radiații și izolarea blocului funcțional din cip unde se manifestă.

Tabelul 3-1 Lista parametrilor monitorizați în timpul studiilor de iradiere pentru MAROC3

înainte/după iradiere în timpul iradierii

• Liniaritate DAC ▪ Tensiune de prag/ ieșire DAC

• Curbele de eficiență (Scurves) ▪ Puterea consumată de cip

• Puterea consumată de cip ▪ Tensiunea internă referință

(Vbandgap) a ASIC-ului

• Tensiunea internă referință

(Vbandgap) a ASIC-ului

▪ Componenta continuă de tensiune a

etajelor ”Slow/Fast Shaper”

• Componenta continuă de tensiune a

etajelor ”Slow/Fast Shaper” ▪ Temperatura cipului și a PCB-ului

• Temperatura cipului și a PCB-ului

Pentru monitorizarea parametrilor și colectarea datelor în timpul testelor de iradieri a fost

luat în calcul faptul că sistemul de achiziționare (DAQ) și celelalte echipamente electronice

trebuie să fie la distanță de dispozitivul sub test (DUT), în acest caz cipul MAROC3. Prin

urmare, toate firele conectate la placa DUT sunt împărțite în două și echipate cu conectori care

se potrivesc cu cei instalați pe vasul pentru iradiere. Utilizatori supraveghează și operează totul

din camera de control. Am propus și implementat un stand automatizat de teste în vederea

testării rezistenței la radiații a cipului MAROC3 adecvat pentru testele propuse spre a fi

efectuate la facilitățile de iradieri cu protonilor grei, neutronilor și raze X. Schema dezvoltată

pentru standul automatizat de teste MAROC3 este prezentat în figura 3-2.

Fiecare dintre echipamentele standului de teste este conectat la PC-ul din camera de

iradiere printr-o interfață USB, iar mai departe utilizatorul are acces la datele colectate prin

intermediul PC-ului din camera de control conectat prin Ethernet la cel din camera de iradiere.

Placa DUT-ului este alimentată printr-un cablu ecranat multifilar lung de 4 m de la o sursă de

alimentare comandată. Aceasta a fost realizată de grup nostru pentru a deservi acestor teste.

Generatorul de pulsuri, alături de osciloscop sunt dedicate realizării testelor de eficiență de

trigger sau Scurves. Cu ajutorul unui generatorului AFG3102 sau emulat semnale provenite de

la MaPMT menținând constantă sarcina de intrare pentru toate cele 64 de canale ale DUT-ului.

Semnalele rezultate sunt verificate cu osciloscopul. S-a ales drept sistem DAQ o soluție

comercială, și anume NI DAQ6009. Sursa de alimentare este conectată la sistemul DAQ fapt

ce permite întreruperea ieșirilor sale de tensiune.

11

CAPITOLUL 3

Figura 3-2 Arhitectura standului de teste pentru monitorizarea online MAROC3.

3.2. Teste de iradiere cu fascicul de raze X

Un prim test pentru verificarea toleranței la radiații a MAROC3-ului a fost realizat cu

ajutorul unui generator de raze X disponibil la Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare

pentru Fizică și Inginerie Nucleară Horia Hulubei (IFIN-HH). Aranjamentul experimental

pentru iradierea cu raze X este prezentat în figura 3-3. Profilul fasciculului de raze X este în

formă de evantai de 80°x10° cu maxim de 56 keV. Placa de test a cipului MAROC3 a fost

amplasată la 10 cm în fața suprafeței monobloc a generatorului, între fiind introdusă o mască

de plumb de 5 mm grosime. Aceasta a asigurat protecția la raze X pentru restul dispozitivelor

electronice aflate pe placa DUT, în timp ce cipul MAROC3 a fost iradiat printr-o apertură

pătrată de 5 cm. Senzorul de temperatura în infraroșu fără contact a fost folosit pentru a verifica

temperatura de pe pastila semiconductoare a cipului. Toate aceste elemente pot fi regăsite în

partea dreaptă a figuri 3-3.

Figura 3-3 Standul de teste MAROC3 instalat în generatorul de raze X.

Pe de altă parte, toată electronica pentru monitorizare și echipamentele de control au fost

amplasate departe de sursa cu raze X, fapt care poate fi observat din partea stângă a figuri 3-3.

12

CAPITOLUL 3

Standul de teste a fost controlat de la distanță din camera de control. Procedura de iradieri a fost

planificată cu următoarele doze preliminare: 40 krad, 400 krad, 1 Mrad, 2,5 Mrad.

Înainte de iradierea cu raze X a celor două cipuri, o caracterizare amănunțită a fost

realizată în laborator din punctul de vedere al parametrilor electrici. Parametrii rezultații au fost

utilizați ca referință în testele ce au urmat. După instalarea standului de test la facilitatea de

iradiere, fiecare cip a fost monitorizat timp de 30 de minute în aproprierea generatorului cu raze

X fără fascicol. Apoi cu fascicol, pentru fiecare doză depusă am realizat un set complet de

măsurători respectând parametrii din tabelul 3-1. Analiza datelor a fost realizată pentru ambele

cipuri testate în detaliu și s-a constatat un comportament asemănător pentru ele în timpul

iradierii. Nu au fost înregistrate schimbări în parametrii monitorizați pentru MAROC3 în timpul

testelor de iradiere. Temperatura din interiorul incintei de iradiere a generatorului de raze X a

crescut de la 21 0C la 29 0C, vezi figura 3-7, fapt datorat disipări de căldură pe filamentul de

tungsten al tubului de raze X și a celorlalte elemente ale mașini. După vârful de 29 0C,

temperatura în interiorul incintei a scăzut încet datorită variației temperaturii diurne.

O analiză atentă a parametrilor electrici a evidențiat că tensiunea de alimentare a DUT-

ului nu a suferit nici un fel de variații considerabile, în timp ce curentul consumat de cip a

crescut la finalul dozei de 2,5 Mrad cu 1,5%. Nici un eveniment de tip SEL nu a fost observat

în consumul de curent.

Figura 3-4 Scurves MAROC3 înainte de

iradiere.

Figura 3-5 Scurves MAROC3 după o doză

de1 Mrad raze X.

Figura 3-6 Scurves MAROC3 după o

doză de 2,5 Mrad raze X.

Figura 3-7 Variația temperaturi în interiorul

mașini cu raze X în timpul testelor.

Tensiunea de ieșire pentru DAC0 a rămas liniară la fiecare doză, fără a avea loc vreo

fluctuație locală. Curbele de liniaritatea pentru DAC0 se suprapun perfect până la 0,9 V (valoare

650 încărcată în registrul convertorului) cu cele măsurate înainte de aplicarea dozelor de raze

X. Mai jos de această valoare curbele încep ușor să nu se mai suprapună. Referința internă de

13

CAPITOLUL 3

tensiune VBndgap încep să scadă la 2,5 Mrad, totuși cu o fluctuație mai mică de 2%. Alți

parametri, precum componenta DC a Slow Shaper-ului sau cea a Fast Shaper-ului nu prezintă

variații însemnate.

Graficele asociate testelor de Scurves (curbele de eficiența trigger-ului de la figura 3-4,

inclusiv figura 3-6) au fost determinate înainte și după fiecare doză de radiație aplicată. O

sarcină de intrare de 150 fC a fost aplicată la toate 64 de canale analogice din MAROC3,

rezultatele au subliniat că de la doză la doză există un trend de deplasare și împrăștiere a

Scurves. Chiar și în acest context, cipul a funcționat în limitele parametrilor nominali în ciuda

dozele mari de TID aplicate. Testate în laborator din nou după iradieri, cele două cipuri

MAROC3 nu au prezentat schimbări nesemnificative, iar micile variații observate la parametrii

electrici în timpul iradierii au fost, cel mai probabil, cauzate de schimbarea temperaturi și nu de

TID. În ansamblu, MAROC3 s-a dovedit a fi stabil din punct de vedere al funcționări în timpul

testelor cu raze X. Totuși, un studiu termic dedicat trebuie realizat pentru a înțelege mai bine

cum parametri cipului variază cu temperatura, în special pentru mediile ce au fluctuații

considerabile de temperatură.

3.3 Concluzii și contribuții

Grupul LHCb România a realizat primul test de iradiere al unui cip MAROC3 prin

evaluarea toleranței la radiații de tip TID cu un fascicul de raze X la 56 keV. Pe viitor au fost

prevăzute teste de iradiere cu protoni și ioni grei. Acest test preliminar cu raze X a fost punctul

de plecare al viitoarelor teste din campania de iradiere planificată pentru MAROC3. De

asemenea, vulnerabilitatea ASIC-ului la diferite tipuri de efecte singulare SEE trebuie verificată

cu atenție fiind obligatoriu ca acesta să fie imun la SEL pentru ioni grei cu un LET sub 15 MeV

cm2/mg, în timp ce pragul LET se dorește a fi cât mai ridicat, peste 70 MeV cm2/mg. În acest

context, toleranța cipului la un fascicul de protoni cu o energie de peste 20 MeV trebuie să fie

obligatorie. Doza finală va fi 8 Mrad pentru TID, alături de o energie a fasciculului de proton

mai ridicată va crește probabilitatea ca DD și SEE să aibă loc. Prin urmare, trebuie investigată

posibilitatea unor efecte permanente induse de protoni.

Strânsa colaborare cu proiectanții ASIC-ului din OmegaMICRO ne-a ajutat să

dezvoltăm nu doar o strategie viabilă de monitorizare a cipului, dar și să înțelegem mai bine

modul de operare a ASIC-ului. În această situație, grupul nostru a propus și implementat un

stand de test automatizat pentru monitorizarea sub radiații a cipului MAROC3. Alte informații

ne-au fost oferite de membri grupului LHCb implicați în testarea toleranței la radiații a cipului

CLARO.

Fiabilitatea standului de test a fost confirmată de funcționarea sa stabilă pe o perioadă

îndelungată, chiar și în această împrejurare sistemul DAQ nu s-a potrivit cerințelor noastre. Cel

mai probabil un sistem personalizat DAQ va fi implementat pentru testele viitoare. El va avea

prevăzut filtre anti-aliasing și buffere de tensiune pentru fiecare canal. În ciuda faptului că fost

folosit doar cablu ecranat, aproximativ 4 m lungime, trebuie luată în calcul influența zgomotului

de eșantionare pentru viitorul sistem DAQ.

14

CAPITOLUL 3

15

CAPITOLUL 4

4. Spatial Photomultiplier Array Counting and Integrating

ReadOut Chip

Acronimul SPACIROC2 vine de la ”Spatial Photomultiplier Array Counting and

Integrating Readout Chip”, iar arhitectura sa este prezentată la nivel de schemă bloc în figura

4-1. Acest ASIC a fost special dezvoltat pentru partea de ”front-end” a modulului de

fotodetecție cu MaPMT ce va echipa telescopul JEM-EUSO (Extreme Universe Space

Observatory onboard Japanese Experiment Module) dedicat studierii razelor cosmice.

Prototipul SPACIROC2 este considerat versiunea de bază pentru viitoarea generație de ASIC

din familia MAROC ce dorește a fi mai rezistent la radiații.

Figura 4-1 Arhitectura generală a cipului SPACIROC2.

Implementat în tehnologia BiCMOS de 0,35 µm SiGe la compania Austria Micro

Sistem, cipul SPACIROC2 dispune de următoarele performanțe: un consum redus de putere 1

mW/canal; 100% eficiență de trigger pentru sarcină de intrare începând cu 50 fC (1/3 foto-

electron); conversie sarcină-timp cu ajutorul etajului (Q-to-T) implementat pe baza tehnici TOT

(Time Over Threshold) în plaja 2 pC până la 400 pC; posibilitatea corecției dispersiei de

fabricație pentru MaPMT cu 64 de canale cu ajutorul unui preamplificator care permite

ajustarea fiecărui canal cu rezoluție de 8-bit.

4.1 Stand de test automatizat pentru iradiere

În mod similar, parametrii ce trebuiau monitorizați în timpul testelor au fost inițial

discutați cu echipa de proiectanți ai cipului SPACIROC2. De această dată o listă mai amplă de

parametri care să fie monitorizați și măsurați înainte, în timpul și după testele de iradiere este

dată în tabelul 4-1. Trei plăci de teste echipate cu cipuri SPACIROC2 au fost foarte atent

investigate în condiții normale de funcționare pentru obținerea parametrilor electrici considerați

drept referință pentru cip. Testul de liniaritate pentru DAC2 va evidenția dacă acest etaj mixt

16

CAPITOLUL 4

din ASIC este susceptibil la efecte cauzate de TID sau daune permanente induse de SEE,

precum SEGR. Orice defecțiune a părți digitale coroborat cu unitatea ”Photon Counting” va fi

observată în modificarea curbelor de eficiență pentru trigger denumite Scurves și a celor de

piedestal.

Tabelul 4-1 Lista parametrilor monitorizați pentru SPACIROC2

înainte /după iradiere în timpul iradierii

• Puterea consumată de placa de test ▪ Puterea consumată de placa de test

• Puterea consumată de partea analogică a

ASIC-ului

▪ Puterea consumată de partea analogică a

ASIC-ului

• Puterea consumată de partea digitală a

ASIC-ului

▪ Puterea consumată de partea digitală a

ASIC-ului

• Teste liniaritate DAC2 ▪ Referința internă de tensiune (Vbandgap)

• Referința internă de tensiune (Vbandgap) ▪ Componenta DC pentru etajul ”Analog

Probe (PA_BUFF)”

• Componenta DC pentru etajul ”Analog

Probe (PA_BUFF)”

▪ Componenta DC pentru etajul ”Analog

Probe (PA_BUFF)”

• Tensiune de ieșire DAC1 (vth_discri_pa) • Tensiune de ieșire DAC1 (vth_discri_pa)

• Tensiune de ieșire DAC2 (vth_discri_fs) • Tensiune de ieșire DAC2 (vth_discri_fs)

• Tensiune de ieșire DAC3 (vth_ki_sum) • Tensiune de ieșire DAC3 (vth_ki_sum)

• Curbele de eficiența Scurves • Temperatura

• Curbele de piedestal

• Temperatura

Am propus și contribuit la implementarea și automatizarea standului de test folosit pentru

procedura de măsurare a rezistenței la radiații a ASIC-ului, fapt posibil cu sprijinul

cercetătorilor de la OmegaMICRO. Schema de principiu a standului este prezentată în partea

stângă a figurii 4-2. Spre deosebire de standul dedicat cipului MAROC3, de această dată s-a

utilizat un sistem de achiziții de date (DAQ) dezvoltat de noi ce controlează și sursa de

alimentare în comutație (SMPS) pentru placa de test a cipului SPACIROC2.

Figura 4-2 Schema standului automatizat de test pentru SPACIROC2 (partea stângă) și

arhitectura sistemului DAQ (partea dreaptă).

17

CAPITOLUL 4

Sistemul DAQ implementat dispune de următoarele performanțe: 24 intrări analogice din

care 16 sunt cu rezoluție pe 10 biți și 8 cu rezoluție pe 12 biți; 54 de pini digitali GPIO; canale

pentru măsurarea curenților; buffere analogice de tensiune și filtre anti-aliasing. Unitatea de

procesare pentru sistemul DAQ este o placă comercială de dezvoltare ArduinoMega. Cele 8

intrări analogice pe 12 biți rezoluție aparțin unui ADC extern seria MAX1270 conectat la

unitatea de procesare prin interfață SPI. Patru din intrările acestui ADC sunt dedicate măsurări

de curent cu ajutorul circuitului integrat seria MAX4377. Blocul de condiționare semnal

dispune de un buffer de tensiune implementat cu amplificator operațional ce are câștigul unitar

stabil din seria MCP6424 urmat de o rețea RC pasivă cu filtre anti-aliasing. Toate tensiunile de

intrare trec prin blocul de condiționare semnal și ajung apoi în ADC. Semnalul de la MaPMT

este emulat de un generator de pulsuri sincronizat cu ajutorul semnalului generat de placa de

test SPACIROC2. Cu excepția SMPS, celelalte componente ale standului de teste comunică

datele preluate printr-o interfață USB către calculatorul aflat în interiorul camerei de iradiere.

Aceste date sunt retransmise mai departe prin Ethernet calculatorului din camera de control.

4.2 Test de iradiere cu fascicul de 200 MeV protoni

Primul test în cadrul campaniei de iradiere a cipului SPACIROC2 a avut loc la Facilitatea

de Iradieri cu Protoni (PIF) din cadrul Institutului Paul Scherrer (PSI), Elveția. În cazul acestui

ASIC s-a utilizat un fascicul de protoni cu energia de 200 MeV și cu fluxul de 1,089·109

protoni/cm2s. Placa DUT a fost montată pe suport metalic de prindere în fața ferestrei de ieșire

a fasciculului. În lateralul liniei de fascicul se pot observa echipamentele parte a standul de test,

după cum este prezentat în figura 4-3. Alinierea cipului 19 mm2 (4,6 x 4,1 mm) cu axa

fascicolului s-a făcut cu ajutorul unui sistem de ghidare cu laser. Pentru fiecare DUT în parte s-

a făcut o caracterizare completă, după instalarea fără ca fasciculul să fie pornit. Valorile

măsurate pentru parametrii electrici au fost comparate cu cele din laborator și luate drept

referință considerând temperatura din interiorul camerei iradiere cu variații între 30-36 0C.

Figura 4-3 Standul de test pentru SPACIROC2 instalat la PIF (partea stângă) și linia de

fascicul din apropriere (partea dreaptă).

18

CAPITOLUL 4

Trei cipuri SPACIROC2 au fost iradiate până la 100 krad TID (Si) fiecare. Toate cele trei

eșantioane de ASIC nu au prezentat nici o variație semnificativă în timpul iradierii pentru

următorii parametrii: tensiunea intern de referință (Vbandgap), componenta DC a etajului Analog

Probe (PA_BUFF), tensiunea de ieșire pentru DAC1, tensiunea de ieșire pentru DAC3,

respectiv tensiunea de ieșire pentru DAC2. Iradierea a fost realizată în pași de 10 krad până la

100 krad cu scopul de a determina pragul unde cipul încetează să mai funcționeze

corespunzător. Pentru ultima doză de 83,12 krad TID s-a observat o creștere a puterii consumate

de blocul analogic. Două salturi de curent au fost înregistrate pentru blocul digital al cipului.

Cele două evenimente de tip SEL a avut loc la un TID de 14,78 krad și 67,72 krad, iar

funcționarea cipului a fost restabilită prin întreruperea alimentării, fapt evidențiat de figura 4-

4. Curentul consumat de blocul digital a început să crească în trepte începând cu doza de 60,72

krad. Pe parcursul depunerii ultimei doze, s-a întrerupt tensiunea de alimentare de patru ori,

după cum se observă în figura 4-5, dar curentul blocului digital nu a revenit la valoarea lui de

referință. Numai după așa numitul proces de ”annealing” la temperatura camerei efectele TID

au dispărut, iar consumul de putere pe partea digitala al cipului a revenit la nivelul de referință.

Figura 4-4 Consumul de curent pentru blocul digital al celui de-al treilea cip în timpul

testului de iradiere.

Figura 4-5 Zoom pe axa curentului digital al celui de-al treilea cip în timpul testului de

iradiere.

19

CAPITOLUL 4

Figura 4-6 Testul de liniaritatea pentru DAC2 al celui de-al treilea cip după fiecare doză.

Nici o variație a tensiunii de ieșire pentru DAC2 nu a fost observată în timpul iradierii,

totuși DAC2 și-a pierdut liniaritatea începând cu valoarea TID-ului de 67,72 și mai pronunțat

pentru valoarea de 83,12 krad, comportament prezentat în figura 4-6. Liniaritatea pentru DAC2

a revenit în parametrii prin procesul de ”annealing”.

Figura 4-7 Curbele de piedestal al celui de-

al treilea cip înainte de iradiere.

Figura 4-8 Curbele de eficiență (Scurves) al

celui de-al treilea cip înainte de iradiere.


al treilea cip după 83,12 krad.

Figura 4-10 Curbele de eficiență (Scurves)

al celui de-al treilea cip după 83,12 krad.

20

CAPITOLUL 4


al treilea cip după procesul de ”annealing”.

Figura 4-12 Curbele de eficiență (Scurves)

al celui de-al treilea cip după procesul de

”annealing”.

Curbele de eficiență pentru trigger au fost determinate folosind o sarcină de intrare de 150

fC, echivalentul a 1 p-e. După depunerea ultimei doze de 83,12 krad TID, s-a observat că

domeniul curbelor de piedestal s-a întrepătruns cu cel al Scurves, aspect prezentat în figura 4-9

și 4-10, comportament determinat de pierdere a linearității DAC2. După procesul de

”annealing” curbele de eficiență din figura 4-12 prezintă variații neglijabile de alură și valori

măsurate față de cele măsurate înainte de iradiere, a se vedea figura 4-8. Asemenea pentru

curbele de piedestale din figurile 4-7 și 4-11.

Am realizat o analiză aprofundată pentru curbele de eficiență trigger pentru fiecare canal

din DUT. În acest scop, un script Python a fost dezvoltat pentru a verifica dacă pe fiecare canal

din cipurile iradiate curbele de eficiență trigger și-au schimbat poziția, forma sau s-au panta de

la doză la doză. Ca observație generală, pentru fiecare dintre cele trei dispozitive testate s-au

înregistrat schimbări semnificative pentru curbele de piedestal și Scurves după doza de 60 krad

TID, deci o înrăutățire a eficienței de trigger. În toate canalele investigate, curbele de eficiență

și-au schimbat forma și poziția după ce TID-ul acumulat a trecut peste limita menționată

anterior.


Suportul tehnic oferită de grupul ce a dezvoltat ASIC-ul SPACIROC2 ne-a permis, nu

doar înțelegerea modul de operare a cipului, dar și realizarea unei strategii de monitorizare

adecvată. Experiența acumulată, în urma iradierii cipului MAROC3 cu raze X, a fost utilă la

îmbunătățirea standului de test pentru monitorizarea parametrilor electrici pentru SPACIROC2

în timpul testării la radiații și a acestui ASIC. Astfel, arhitectura concepută pentru acest stand

îndeplinește cerințele de monitorizare pentru ambele versiuni de ASIC-uri, cât și pentru cele

viitoare.

Grupul nostru a avut oportunitatea să realizeze o primă caracterizare în fascicul de

protoni pentru SPACIROC2. Rezultatele obținute în timpul iradierii cu protoni la o energie de

200 MeV a fost ulterior discutat cu grupul OmegaMICRO, o atenție specială fiind acordată

blocului digital al cipului. Echipamentele electronice ce vor echipa telescopul JEM-EUSO vor

fi expuse la 0.1 krad TID pe an în spațiu. Sonda spațială va prelua date timp de 4-5 ani în mediul

ostil al Orbitei Joase a Pământului (LEO), Luând în calcul că fasciculul de protoni a avut un

flux de aproximativ 1,089 x 109 particule /cm2s, procesul de ”annealing” este de așteptat să

înlăture rata efectelor induse de radiații în mediul LEO. Prin urmare, cipul SPACIROC2 s-a

dovedit a fi o soluție tehnică viabilă din clipa în care a rezistă până la 60 krad TID. Pe de altă

parte, această versiune prototip de SPACIROC2 nu a îndeplinit cerințele privind toleranța la

21

CAPITOLUL 4

radiații impuse de experimentele LHC unde dozele și fluxul de particule vor depăși nivelul de

toleranță a cipului SPACIROC2.

Partea digitală a cipului SPACIROC2 s-a dovedit a fi predispusă unor defecțiuni cauzate

de efectele radiaților ionizante. Acest bloc va fi investigat îndeaproape în viitoarele teste, un

exemplu în acest sens îl reprezintă măsurarea liniarități celor 4 DAC-uri încorporate. De

asemenea, saturarea curbelor de liniaritate pentru DAC-uri va fi eliminată prin modificarea

rezistorului polarizare extern pentru aceste etaje. O altă cauză de îngrijorare o reprezintă

fenomenul de tip SEL asociat unui stări înalte de curent pe alimentarea blocului digital, fapt

observat la două din cele trei cipuri testate. Credem că aceste SEL-uri apar cel mai probabil

datorită atomilor dislocați din rețeaua cristalină, deci ioni grei secundari (Si, Ge sau metalic),

ce induc acest fenomen. O contribuție semnificativă la salturile de curent înregistrate poate

surveni și datorită SEU/MBU ce pot afecta regiștrii de configurare din cip. Pentru următoarele

teste de iradiere, s-a dezvoltat o procedură pentru a reciti informația salvată din regiștrii de

configurare, operație ce poate evidenția dacă efecte de tip SEU/MBU au loc. Ambele

presupuneri vor fi investigate în timpul iradierii cipurilor SPACIROC2 cu fascicul de ioni grei

de diferite specii. Pentru această iradiere cu protoni s-a determinat secțiunea eficace pentru SEL

de 0,78·10-12 cm2, cu 54% incertitudine. În mediul cosmic ion grei au valori ale LET-ului de la

0.01 până la 40 MeV cm2/mg. Cu această ocazie, va fi explorată vulnerabilitatea cipului la

efecte catastrofale din categoria SEE.

22

CAPITOLUL 4

23

CAPITOLUL 5

5. FPGA pentru experimente de fizica energiilor înalte

Pentru noul sistem de fotodetecție al sdub-detectorilor RICH se dorește ca plăcile digitale

din celulele elementare (EC) să fie dezvoltate pe baza unei soluții comerciale de FPGA din

tehnologia SRAM. Ca variantă de rezervă s-a luat în considerare și FPGA-urile din tehnologia

”antifuse”. Seria de 7 de FPGA-uri produse de Xilinx dispune de patru familii de dispozitive

de ultimă oră implementate în tehnologia 28 nm HKMG. Familia KINTEX-7 FPGA a fost

selectată ca soluție optimă pentru realizarea plăcilor digitale datorită următoarelor criterii:

raportul preț-performanță și numărul de pini I/O necesari sistemului electronic din noua celulă

elementară. Beneficiind de suport și expertiză din partea grupului de cercetători implicați în

modernizarea sub-detectorilor RICH, am propus și realizat arhitectura standului de test

prezentat în figura 5-1. Mai departe, procedura de test a fost dezvoltată în strânsă colaborare cu

grupul LHCb de la Cambridge.

Figura 5-1 Standul de test al cipului KINTEX-7 pentru monitorizarea în timpul iradierii.

O întreagă arhitectură de test a fost realizată în jurul cipului KINTEX-7 ce a fost montat

pe placa de teste alături de un număr minim de componente electronice adiționale. Acestea

asigură minimul necesar pentru o funcționare de bază a FPGA-ului, în timp ce programarea

acestuia este realizată prin intermediul programatorul XILINX JTAG conectat printr-un un

cablu la placa sa de test. Sursa de alimentare a DUT-ului are patru căi de alimentare

monitorizate de sistemul DAQ. Mai mult, starea firmware-ului pentru DUT este în mod

continuu verificată cu ajutorul unei plăci de dezvoltare NEXYS3 ce găzduiește un FPGA

SPARTAN-6. Toate datele sunt transmise prin interfața USB de la placa NEXYS3,

programatorul JTAG și sistemul DAQ către calculatorul situat în camera de iradiere.

Testarea rezistenței la radiații a unui dispozitiv atât de complexe, precum FPGA-ul

KINTEX-7, se bazează exclusiv pe firmware dezvoltat special pentru evaluarea sa în timpul

testelor. Grupul nostru a adoptat o soluție simplă în acest sens și s-a decis instanțierea doar

acelor elemente logice din arhitectura FPGA-ului KINTEX-7 supuse spre testare în radiație.

Figura 5-2 prezintă arhitectura generală a firmware-ului pentru FPGA-urile parte a standului de

test la radiații. Memoria de configurare (CRAM) a FPGA-ului KINTEX-7 este cea mai mare

dintre toate tipurile de memorie încorporate de acest dispozitiv. Dispozitivul are în total

18884576 biți de memoria CRAM ce permit configurarea elementelor logice existente în

dispozitiv pentru aplicații dedicate. Chiar un singur schimbat bit din cauza efectelor induse de

radiații în CRAM poate avea un efect sever, chiar catastrofal în funcționarea dispozitivului, iar

în cazuri extreme poate cauza căderea întregului sistem. Apariția fenomenului SEU în CRAM

24

CAPITOLUL 5

poate duce la conflict între elementele și blocurile logice din FPGA prin schimbarea funcției

CLB sau a topologiei de conexiuni din cip.

Figura 5-2 Arhitectura firmware-ului pentru NEXUS3 și pentru iradierea DUT-ului

KINTEX-7, inclusiv SEM IP Core pentru ”CRAM scrubbing”.

Astfel, utilizarea unui firmware ce înglobează componenta SEM Core de la Xilinx a fost

considerată ca și soluție de ”CRAM scrubbing” intern pentru FPGA-ul KINTEX-7. Acest SEM

IP Core poate fi pus în stare inactivă, iar cu ajutorul unei interfețe UART sau SPI permite

injectarea de erori la adrese de biți din CRAM. În acest mod utilizatori pot avea posibilitatea să

simuleze un efecte SEU în firmware-ul dezvoltat și implementat pe FPGA pentru a putea vedea

cum se comportă dispozitivul.

5.1 Iradierea cu ion grei a FPGA-ului KINTEX-7

Primele teste au avut loc la facilitatea SIRAD din cadrul laboratorului INFN Legnaro,

Padova, Italia. Această facilitate de iradiere cu ion grei pune la dispoziție o gamă largă de specii

de ioni ce au o valoare a LET-ului pornind de la 0,02 MeV cm2/mg și 4390 µm adâncime de

pătrundere în Si până la LET de 81,7 MeV cm2/mg și 23,4 µm adâncime de pătrundere. Figura

5-3 prezintă camera de iradieri de la SIRAD cu linia de fascicul și vasul cu vid în poziție

deschisă ce permite accesul la suportul pentru probele de iradiat. Fluxul de ioni al fasciculului

poate fi modificat între 105 și 5x108 ioni/cm2/s.

Figura 5-3 Linia de fascicul a acceleratorului Legnaro Tandem- XTU și placa de test

KINTEX-7 instalată în interiorul vasului pentru iradiere.

25

CAPITOLUL 5

Cel de-al doilea test de iradiere a fost posibil prin programul AIDA2020 EU, iradierea s-

a realizat la Resurse Cyclotron Resource Center în Louvain-la-Neuve, Universitatea Catolică

din Louvain, Belgia (UCL). Facilitatea pentru Iradieri cu Ion Grei (HIF) pune la dispoziție o

gamă variată de specii de ioni ce au LET-ul în plaja 0,4 la 56 MeV/(mg/cm2) pentru cocktail-

ul de ioni cu un grad ridicat de penetrare în Si. În ceea ce privește fasciculul, are un diametru

maxim de 25 mm și o omogenitate ±10%, în timp ce fluxul poate fi modificat de la câțiva ioni/

cm2s până la aproximativ 105 ioni/cm2s. Figura 5-4 prezintă vasul de iradieri, alături de placa

de test KINTEX-7 montată pe suportul metalic și o fereastră în corpul metalic al vasului.

Figura 5-4 Vasul pentru iradiere din HIF în poziția închis și vedere din interior vasului în

timpul alinierii cu laser a DUT.

Scopul primului test de iradiere realizat la SIRAD a fost să determinăm cât de dăunătoare

sunt efectul radiaților induse în FPGA atunci când memoria CRAM nu are nici o soluție de

eliminare a erorilor prin procedura de ”scrubbing”. Au fost folosite două specii de ioni grei în

timpul iradieri, Oxigen 18O la 108 MeV cu un LET de 3,197 MeV cm2/mg (estimat TRIM) și

Flor 19F la 122 MeV cu un LET de 3,67 MeV cm2/mg (LNL estimat pentru suprafață) sau 3,899

MeV cm2/mg (estimat cu TRIM pentru volumul semiconductor al dispozitivului). Firmware-ul

a fost implementat să ocupe doar 40% din resursele logice ale FPGA-ului.

Figura 5-5 Consum ridicat de curent pe

FPGA core și BRAM în timpul iradierii cu

ioni de 19F, datorat acumulării de SEU în

CRAM.

Figura 5-6 DUT în stare nedeterminată

aspect evidențiat de curentul pe FPGA core

la iradierea cu ioni de 19F, apariție SEFI.

Spre exemplu, unul din testele efectuate sub fascicul de ion de 19F a arătat că creșterea

graduală de curent este cauzată de acumularea de SEU în CRAM. Astfel, elementele logice

26

CAPITOLUL 5

inactive intervin în arhitectura firmware-ului și afectează funcționarea FPGA-ului ca urmare a

coruperii memoriei CRAM de efectul SEU, vezi figura 5-5. De asemenea, comportamentul tipic

al fenomenului SEFI a fost observat în DUT, vezi figura 5-6, iar curentul consumat de linia de

alimentare a FPGA core și BRAM s-a dublat în mai puțin de 15 secunde, apoi a urmat o scăderea

rapidă la nivelul de consum aferent dispozitivului neprogramat. De această dată rata de ocupare

a firmware-ului a fost aproape de 100%.

În timpul testelor de iradieri cu ion grei a fost înregistrat un salt de curent ce poartă

semnătura evenimentului de tip micro-SEL, iar variația de curent a fost măsurată pe linia de

alimentare de 1,8 V, comportament similar menționat și în alte surse din literatură. Fluența

cumulată pe DUT a fost de 7,56·105 ioni/cm2. Figura 5-7 prezentă creșterea în trepte de

aproximativ 100 mA a curentului, aceste creșteri nu au putut fi eliminate prin operația de

”CRAM scrubbing” sau rescriere a întregii configurații, ci doar prin cicluri de oprire a

alimentării pentru dispozitiv. Disiparea de putere pe FPGA a dus la creșterea temperaturi pe cip

până la valoarea de 70 0C, vezi figura 5-8.

Figura 5-7 SEL indus de ionii grei cu LET

de 15.56 MeV cm2/mg în linia de alimentare

de 1.8 V.

Figura 5-8 Temperatura pe cip în timpul

iradierii cu ioni de 40Ar12+.

Am continuat să investigăm predispoziția dispozitivului KINTEX-7 la fenomene de tip

SEL folosind diferite specii de ion cu LET din ce în ce mai ridicat. Prin urmare, următorul test

a fost realizat folosind ioni de 58Ni18+ la 582 MeV și LET de 20,4 MeV cm2/mg. Testul final a

fost făcut cu ioni de 84Kr25+ la 769 MeV și LET de 32,4 MeV cm2/mg. Fluxul fasciculului a fost

de 103 ioni/cm2/s , iar fluența totală de 9,11x105 ioni/cm2. De această dată, s-au înregistrat și

confirmat prin cicluri de oprire a alimentarii fenomenul SEL și în linia de alimentare de 1,5 V,

respectiv 3,3V cu excepția liniei de alimentare pentru FPGA core și BRAM.

5.2 Teste de iradiere cu 200 MeV protoni

Un test eliminatoriu este cel de TID-ul cu un pragul fixat la 200 krad, doză estimată în

cazul sub-detectorilor RICH. În acest scop, s-a accesat facilitatea PIF de iradiere cu protoni de

la PSI, unde am testat de asemenea și cipul SPACIROC2. Iradierea s-a realizat cu un fascicul

de protoni la 200 MeV și flux ajustabil în intervalul 107 până la 109 particule/cm2/s. Trei FPGA-

uri au fost iradiate subsecvent, fiecare până la 500 krad echivalentul TID în Si cu fluență

acumulată per dispozitiv de aproximativ 1010 și 1012 protoni/cm2. Chiar dacă, doza a depășit de

două ori și jumătate pe cea nominală de 200 krad estimată pentru cel mai rău scenariu în fazele

de modernizare a LHCb-RICH. Nici un eveniment SEL nu a fost observat, iar prin

27

CAPITOLUL 5

reprogramarea dispozitivul s-au eliminat efectele cauzate de SEU. Mai mult de atât, nici un

efect permanent nu a fost observat la dispozitivele testate, nici o creștere în curent sau fluctuație

de tensiune. Din nou a fost înregistrată o rată ridicată SEU în CRAM la teste cu protoni, însă la

rate mai mici decât în cazul iradierii cu ioni grei, acest fapt fiind așteptat. Testele post-iradiere

nu au evidențiat nici un efect cumulativ indus de radiații ce are putea compromite dispozitivul

KINTEX-7.


Studiile pentru măsurarea rezistenței la radiații, a versiunii celei mai ieftine de FPGA

din familia KINTEX7, s-au realizat din perspectiva și constrângerile dictate de mediul mix de

radiație preconizat în interiorul detectorului LHCb. Un stand de test automatizat a fost proiectat

și implementat pentru a înregistra parametri electrici și software a DUT-ului în timpul testelor

de evaluare. Pentru a ne asigura că comportamentul celorlalte dispozitive netolerante la radiații

nu influențează măsurătorile, placa de test pentru KINTEX-7 a fost proiectată să fie cât mai

simplă. În plus, placa de test respectă principalele cerințe pentru placa digitală din EC, precum

lipsa unei memorii externe flash pentru stocarea firmware-ului necesar FPGA-ului. Datele

colectate în timpul iradierii au fost salvate în fișiere ASCII pentru a fi analizate ulterior. Puterea

consumată de FPGA pe cele 4 căi principale de alimentare este măsurată la un interval de 50

ms, în timp ce raportul oferit de SEM IP Core este stocat continuu. Pentru protejarea

echipamentelor electronice necesare monitorizării FPGA-ului configurația standului de test a

fost dusă la limită. Ca și exemplu, pentru iradierea cu protoni unitatea de monitorizare a fost

plasată la 5 m distanță de DUT, în timp ce datele culese sunt transmise prin alt cablu USB de 5

m lungime la calculatorul din camera de iradiere, iar prin Ethernet ajung la calculatorul din

camera de control.

Testele cu ion grei efectuate au dezvăluit câteva aspecte cruciale privind toleranța

împotriva efectelor de tip SEE a FPGA-ului KINTEX-7. Alte teste și timp suplimentar de

fascicul va fi necesar pentru a finaliza un studiu riguros privind acest DUT vizând măsurătorile

de toleranță la radiații a altor elemente logice încorporate în FPGA, precum BRAM, SLR32 și

bancurile I/O. Până acum am confirmat ceea ce alte surse din literatura de specialitate au

prezentat referitor la fenomenul de micro-SEL imediat peste valoarea de LET impusă de

Colaborarea LHCb și anume 15 MeV cm2/mg, dat fiind că dispozitivul nostru KINTEX-7 nu

face parte din categoria ”space-grade”. Investigarea memoriei CRAM cu ion grei fără metodă

de corecție a erorilor ne-a permis să observăm câteva efecte ce pot putea avea loc atunci când

un singur bit este modificat în configurație, respectiv influențele efectului acumulării de SEU

ce duce la creșterea consumului de putere. O bună soluție în acest sens s-a dovedit a fi

componenta SEM IP Core înglobată în firmware-le de test pentru a realiza o introspecție rapidă

și eficientă în memoria de configurare a FPGA-ului și a efectelor în momentul coruperii

informației stocate în ea. Cu ajutorul SEM IP Core-ului am avut posibilitatea să observăm

modul în care se comportă FPGA-ul atunci când un CRAM este corupt în mod deliberat prin

injecție de erorii în anumite locații ale memoriei. Din păcate, eficiența acestei soluții interne de

înlăturare a erorilor din CRAM pentru FPGA-ul a scăzut repede către 0% când fasciculul are

un flux foarte ridicat sau particulele au un LET ridicat. Astfel, s-a luat în considerare utilizarea

SEM IP Core-ului în conjuncție cu o memorie flash externă, fapt care ne-ar permite să avem o

eficiență mai bună în restabilirea biților afectați în CRAM.

Testele de iradiere cu protoni au fost o surpriză plăcută din clipa în care KINTEX-7 a

rezistat la 500 krad TID fără a avea probleme notabile datorită efectelor cumulative, deși nivelul

SEU era foarte ridicat. Din cele menționate în literatura de specialitate nici un alt FPGA din

familia KINTEX-7 nu a fost iradiat la un nivel așa ridicat de TID. Totuși, nivelul neașteptat de

28

CAPITOLUL 5

SEU provocat de protoni în CRAM rămâne una din principalele preocupări fiind folosit un

fascicul de protoni cu fluxul între 107 și 109 particule/cm2/s. Nici un fel de efect cumulativ nu

a fost observat în timpul testelor efectuate post-iradiere.

Prin studierea toleranței la radiații a FPGA-ului KINTEX-7, vom înțelege mai bine cum

se comportă acest dispozitiv și ce ar putea compromite folosirea lui în arhitectura plăcilor

digitale pentru sistemul de fotodetecție al sub-detectorilor RICH. Dacă se va constata că aceste

FPGA-uri sunt fiabile să funcționeze cu un grad de încredere în câmpul mixt de radiație din

LHCb, atunci 3000 de FPGA-uri vor fi achiziționate pentru reconstruirea sub-detectorilor în

LS2 din cadrul LHC – ”Upgrade Phase”.

29

CONCLUZII

Concluzii și contribuții personale

Grupul LHCb-Romania oferă în continuare suport pentru modernizarea detectorului

LHCb, lucru realizat printr-o implicarea activă în cadrul programului de Cercetare și Dezvoltare

(R&D) destinat detectorului, în special în campaniile de testare a rezistenței la radiații dedicate

noilor dispozitive semiconductoare. Aceste dispozitive sunt luate în calcul pentru sub-detectorii

RICH, mai exact în sistemul de fotodetecție. În calitate de membru al grupului, implicarea mea

a constat, în contextul studiilor de rezistență la radiații, în: iradierea și analiza datelor pentru

ASIC-ul MAROC3 și testarea unui FPGA din familia KINTEX7 în condiții LHC. Rezultatul

final al acestor teste a fost să extrapolăm, pe baza datelor culese, dacă aceste dispozitive

semiconductoare pot avea o funcționare fiabilă pentru o anumită perioadă de timp în condițiile

nominale al câmpului mixt de radiații, fluctuații de temperatură și câmp magnetic din interiorul

detectorului LHCb pentru faza ”Upgrade” (luminozitate 50 fb-1).

Dezvoltat special pentru telescopul JEM-EUSO, SPACIROC2 este al doilea ASIC studiat

de grupul nostru, astfel rezistența la TID a fost măsurată pentru condițiile din spațiul în care

operează ESA-ISS. Această versiune prototip de ASIC servește, de asemenea, ca arhitectură de

bază pentru următoarea generație de MAROC. Testarea rezistenței la radiație a acestor trei

dispozitive depinde, în principal, de datele colectate în timpul testelor de iradiere. Pentru fiecare

din acestea a fost stabilită o listă de parametrii electrici pentru a fi monitorizați în timpul testelor.

Folosind standurile de test special realizate și prezentate în capitolele anterioare, acești

parametrii sunt înregistrați continuu, apoi se efectuează o comparație cu valorile de referință,

respectiv cu parametrii post-iradiere. În acest context, în rândurile ce urmează voi prezenta

contribuțiile experimentale, practice și teoretice aduse la evaluarea toleranței la radiație a

acestor trei cipuri.

I. Contribuții experimentale

Am definit și conceput strategii și metode de test pentru evaluarea circuitelor integrate

MAROC3, SPACIROC2 și KINTEX7 folosind diferite surse radiație. Acest lucru a fost posibil,

în principal, datorită colaborării noastre cu echipa de proiectanți din LAL-OmegaMICRO și a

altor partenerii din cadrul LHCb. Având în vedere că plăcile de test oferite de Omega MICRO

pentru MAROC3 și SPACIROC2 nu au fost concepute să fie folosite în medii cu radiații,

măsurii speciale au fost luate pentru a permite expunerea numai a DUT de pe plăcii de test la

fascicul. O mască de plumb a fost proiectată pentru a proteja dispozitivele adiționale aflate pe

placă lângă DUT. PCB-ul proiectat pentru testarea FPGA-ului KINTEX-7 a fost conceput

exclusiv pentru expunerea la radiații, astfel nu au fost necesare materiale adiționale de protecție.

Contribuțiile aduse la proiectarea standurilor de test pentru iradierii și implementarea lor, alături

de procedura de testare sunt prezentate pe scurt în următoarele rânduri.

După studierea amănunțită a arhitecturii cipului MAROC3 și plăcii sale de test, alături de

teste desfășurate în condiții normale de funcționare fără radiații, am propus arhitectura unui

stand de test pentru evaluarea sub radiații a cipului. În acord cu echipa de proiectanți a ASIC-

ului, am întocmit o listă de parametrii electrici spre a fi monitorizați. De asemenea, am început

proiectarea și implementarea standului de test necesar pentru MAROC3 având în vedere

următoarele etape:

• Mai întâi am conceput o arhitectură de stand automatizat prevăzută în jurul sistemului DAQ

comercial NI USB6009 ce a permis monitorizarea diverșilor parametrii electrici de pe placa

MAROC3. Cu acest sistem DAQ am putut comanda și alte elemente ale standului de test,

precum sursa de alimentare pentru IC.

30

CONCLUZII

• Am implementat o sursă de alimentare pentru placa MAROC3 capabilă să livreze 1,6 A pe

linia de alimentare de +6,5V și -7,3V. Mai mult de atât, prin intermediul sistemului DAQ

această sursă de alimentare poate fi comandată să întrerupă tensiunile de ieșire, astfel se

poate realiza un ciclu pornire/oprire a alimentării ASIC-ului atunci când este nevoie.

• Am contribuit la realizarea circuitul de măsurare a curentului consumat de MAROC3

necesare identificări posibilelor evenimente de tip SEU-uri care s-ar putea dovedi la fel de

distructive ca SEL.

• Pentru monitorizarea disipării căldurii de pe cipul MAROC3 în timpul iradierii, am ales

două tipuri de senzori folosiți apoi în strategia de monitorizare a temperaturii. Pentru partea

din spate a PCB-ului aflat sub ASIC am folosit traductorul de temperatură PT100, în timp

ce pentru suprafața cipului MAROC3 am folosit un senzor de temperatură infraroșu fără

contact din seria MLX90614, apoi am ecranat întreg circuit într-o carcasă de plumb groasă

de 5 mm împotriva dispersării fasciculului sau a particulelor împrăștiate de suprafața

cipului. Am asambla partea de hardware a senzorului MXL90614, inclusiv modulul de

procesare pe bază de microcontroler seria ATEMGA326.

• Am echipat standul de test cu toate cablurile ecranate necesare pentru interconectarea

echipamentelor din componență. Concomitent ocupându-mă cu studierea și caracterizarea

comportamentului MAROC3 în condiții normale de funcționare.

• Interfața LabVIEW folosită pentru controlul standului de test a fost dezvoltată parțial de

mine. Prin intermediul acesteia fiind posibilă înregistrarea parametrilor monitorizați și

salvarea acestora în fișiere ASCII, valorile măsurate înainte de iradiere pentru fiecare ASIC

au fost considerate drept referință.

• Cu privire la iradierea cipului MAROC3 cu raze X, am participat la instalarea

aranjamentului experimental pe linia de fascicul și la procesul de monitorizare.

• Am participat la analiza datelor și am interpretat toți parametri electrici înregistrați în timpul

testelor de iradieri, cât și cei măsurați post-iradiere.

Datorită asemănării la nivel de arhitectură între ASIC-ul SPACIROC2 și MAROC3 s-a

decis proiectarea unui nou stand de test care să poată îndeplini cerințele necesare monitorizării

celor două ASIC-uri. De această dată, sistemul DAQ pentru stand a fost realizat în totalitate de

noi fiind evitate, astfel, toate neajunsurile sistemului DAQ comercial utilizat. Contribuția mea

experimentală pentru investigarea toleranței la radiații a cipului SPACIROC2 este prezentată

în rândurile de mai jos:

➢ Fișierul GERBER necesar pentru fabricarea PCB-urilor, alături de schema plăcii de test

pentru SPACIROC2 au fost oferite de grupul din OmegaMICRO. Una din sarcinile mele a

fost trimiterea PCB-ului la fabrică pentru implementare, apoi m-am ocupat de asamblarea

completă în laborator a trei plăci de teste pentru SPACIROC2. Etapă urmată de testarea și

verificarea funcționalității lor.

➢ Dat fiind faptul că ASIC-urile erau montate pe plăcile de teste prin intermediul unor socluri

cu clemă, a trebuit să adaptez soclurile astfel încât să perimată prinderea capsulei ceramice

a cipului SPACIROC2. Mai mult de atât, folosind un microscop electronic am aliniat fiecare

pini al cipului cu cel al soclului.

➢ Standul de test a fost implementat sub supervizarea mea, iar eu am participat la asamblarea

unității de monitorizare. Alături de aceste sarcini, s-a aflat echiparea întregului stand de test

cu cablurile ecranate aferente.

➢ De asemenea, mi-am adus contribuția la dezvoltarea GUI și a sistemului DAQ, etapă urmată

de caracterizarea fiecărui cip SPACIROC2 înainte de procedura de iradiere.

➢ În cadrul testelor cu fascicul de protoni, desfășurat la PSI în Elveția, am contribuit la

instalarea aranjamentului experimental pe linia de fascicul, precum și la procedura de

monitorizare.

31

CONCLUZII

➢ La analiza datelor rezultate din măsurătorile efectuate, am contribuit la interpretarea

modificărilor apărute în parametri electrici pe parcursul iradierii.

KINTEX7 FPGA reprezintă principalul dispozitiv electronic ce se dorește a fi utilizat

pe plăcile digitale a sistemului de fotodetecție din sub-detectorii RICH. Testarea rezistenței la

radiații a acestui dispozitiv implică, nu doar accesul la diferite facilități de iradiere, dar și

resursele materiale și umane ridicate datorită complexității hardware, dar și software/firmware.

Contribuția noastră s-a materializat prin proiectarea și implementarea întregului stand de test și

a plăcilor pentru FPGA-ul KINTEX7 în concordanță cu indicațiile oferite de experții ce fac

parte din colaborarea LHCb. Placa de test destinată pentru KINTEX-7 a fost concepută să

funcționeze cu minimul de componente electronice externe necesare FPGA-ul pentru o

funcționare minimală. Etapele parcurse pentru proiectarea și implementarea standului, respectiv

pentru testarea toleranței la radiații a dispozitivului KINTEX7 au fost următoarele:

▪ Propunerea arhitecturii plăcii de test pentru FPGA, placa de alimentare a FPGA-ului și

sistemului DAQ. Fiecare topologie de circuit a fost discutat în întâlnirile din cadrul

colaborări LHCb, apoi aprobate pentru implementare.

▪ A trebuit să supervizez proiectarea schemei electrice și PCB-ului pentru plăcile KINTEX7.

▪ După ce PCB-urile au ajuns de la fabrică, am asamblat 9 plăci cu FPGA din care 4 aveau

cipurile FPGA subțiate. Pentru acestea am folosit o stație de IR reballing. În mod similar

am procedat și pentru placa de alimentare asociată FPGA-ului testat.

▪ Unitate pentru monitorizarea FPGA-ului a fost implementată cu ajutorul meu, în timp ce

cablurile ecranate necesare interconectării echipamentelor din stand au fost instalate de

mine.

▪ După asamblarea standului de test KINTEX-7, m-am implicat în testarea dispozitivului și

coordonarea dezvoltării firmware-rului. Alături de acestea, am sugerat câteva îmbunătățiri

pentru implementarea GUI. Per ansamblu, a trebuit să rezolv problemele hardware

întâmpinate în timpul testării versiunii finale de stand.

▪ Am oferit expertiză în utilizarea SEM IP Cor-ului și am luat parte la testele desfășurate în

laborator.

▪ În ceea ce privește testele de iradiere realizate la SIRAD Legnaro, HIF Louvain și PSI,

alături de colegii mei, a trebuit să instalez aranjamentul experimental pe liniile de fascicul

ale facilităților, apoi am participat la monitorizarea dispozitivului în timpul procedurii de

iradiere.

▪ M-am implicat în analiza datelor culese în urma iradierii FPGA-ului KINTEX-7.

Comportamentul dispozitivului a trebuit explicat prin coroborare parametrilor electrici cu

cei software/firmaware înregistrați în timpul testelor de iradieri.

Aceste teste de măsurare a toleranței la radiație rămân singura soluție viabilă pentru a

verifica dacă un circuit integrat poate fi folosit într-un anumit mediu radioactiv. În ciuda

costurilor, timpului și muncii depuse, testele de iradiere furnizează datele cruciale pe baza

cărora comportamentul dispozitivului într-un mediu cu radiații poate fi înțeles. Până acum,

datele strânse în urma diverselor iradieri au menținut interesul utilizări în mediul de radiații

LHC a FPGA-ului KINTEX-7. Datorită ratei mari de SEU măsurate în memoria de configurație

a dispozitivului testat, a fost luat în considerare un alt dispozitiv FPGA din tehnologia antifuse.

KINTEX-7 este o soluție promițătoare pentru arhitectura digitală, în special după ce a trecut cu

succes testul TID. Nici un efect dăunător SEE nu a avut loc în timpul testelor cu ion grei. Totuși,

rate ridicată SEU în CRAM rămâne o problemă.

II. Contribuții teoretice

Am realizat raportări periodice privind evaluarea dispozitivelor electronice MAROC3,

SPACIROC2 și KINTEX7 către colaboratori LHCb și celor din LAL-OmegaMICRO de la

32

CONCLUZII

Ecole Polytechnique,Palaiseau Paris, Franța. Fapt care mi-a permis să beneficiez de expertiza

lor în domeniul testelor de rezistență la radiație a microelectronicii folosite în experimentele de

fizica energiilor înalte. Deseori, pentru problemele întâmpinate s-au găsit soluții în cadrul

acestor ședințe. O listă cu prezentările efectuate este dată mai jos.

1. Data analysis for the SPACIROC2 proton irradiation, LHCb-Romania, September 21st

2016, IFIN-HH, Magurele, Romania, available at: https://indico.cern.ch/event/570828/

▪ Cu această ocazie am discutat împreună cu grupul ce a dezvoltat ASIC-ul SPACIROC2

despre rezultatele preliminare ale iradierii cipului cu 200 MeV protoni. Comportamentul

ASIC-ului la o doză de peste 60 krad a fost interpretat îndeaproape.

2. Preliminary results of KINTEX-7 irradiation with heavy ions at Louvain, RICH

Upgrade Meeting, June 14th 2016, CERN, Geneva, Switzerland, available at:

https://indico.cern.ch/event/540695/

▪ Am prezentat rezultatele preliminare în urma iradierii cu ioni grei la Louvain a FPGA-

ului KINTEX-7 unde am determina pragul de apariție a evenimentului micro-SEL.

3. KINTEX-7 FPGA radiation hardness studies, test bench, firmware, error mitigation &

scrubbing, LHCb Upgrade Electronics, February 11th 2016, CERN, Geneva, Switzerland,

available at: https://indico.cern.ch/event/490512/

▪ În această prezentare am punctat pregătirile realizate pentru testarea la radiație a FPGA-

ului KINTEX-7, concentrându-mă asupra firmware-rului dezvoltat, alături de metoda

de corecție a erorilor cu SEM IP Core.

4. Update on SPACIROC2 testing, Omega MICRO designer team, November 19th 2015,

Drahi-X Novation Center, Ecole Polytechnique, Paris, France.

▪ Am prezentat grupului de la LAL-OmegaMICRO standul de test și strategia de

monitorizare pentru iradierea cu protoni a ASIC-ului SPACIROC2.

5. Status and perspectives for KINTEX-7 irradiation, Mini-meeting on irradiations for

RICH Upgrade, July 8th 2015, CERN, Geneva, Switzerland available at:


▪ Planul de iradiere, alături de statusul standului de test pentru KINTEX-7 au fost

prezentate în detaliu.

6. Update on KINTEX-7 irradiation setup, RICH meeting, June 8th 2015, CERN, Geneva,

Switzerland available at: https://indico.cern.ch/event/399125/

▪ Am prezentat noile caracteristici și îmbunătățirii aduse arhitecturi standului de test

pentru KINTEX-7.

7. First prototype of KINTEX7 module designed for irradiation tests, RICH Upgrade

Testbeam Meeting, April 1st 2015, CERN, Geneva, Switzerland available at:


▪ Cu această ocazie am introdus în discuție versiunea funcțională de bază a standului

de test pentru evaluarea la radiații a dispozitivului KINTEX-7.

8. Irradiation of MAROC3 with X-Ray and the KINTEX7 PCB design, Mini-meeting on

Irradiations for RICH Upgrade, February 20th 2015 CERN, Geneva, Switzerland,

available at: https://indico.cern.ch/event/374595/








33

CONCLUZII

▪ Au fost prezentate rezultate de la testarea a două cipuri MAROC3 cu raze X alături

de arhitectura preliminară a statului de test pentru KINTEX-7.

9. Characterization of the MAROC 3 before irradiation, RICH Upgrade Testbeam

Meeting, July 23th 2014, CERN, Geneva, Switzerland, available at:


▪ In această prezentare, am propus arhitectura standului de test pentru monitorizarea

ASIC-ului MAROC3 în timpul procesului de iradieri, împreună cu o listă de

parametri selectați pentru monitorizare, respectiv strategia de iradiere.

10 Multi Anode ReadOut Chip (pre-irradiation tests), RICH Upgrade Testbeam Meeting,

June 11th 2014, CERN, Geneva, Switzerland, available at:


▪ Am făcut cunoscute câteva probleme în grupul de lucru care au întârziat

caracterizarea MAROC3 în condiții normale de funcționare.

III. Diseminarea rezultatelor

Contribuțiile aduse de prezenta teză, în domeniul măsurări toleranței la radiație a

dispozitivelor semiconductoare, au fost diseminate prin intermediul participărilor la conferințe

și publicării de articole. În cele ce urmează sunt enumerate toate contribuțiile științifice

realizate:

A. Lucrări relevante pentru tema tezei:

[1] V. M. Placinta, L. N. Cojocariu, and C. Ravariu, "Test bench design for radiation

tolerance of two ASIC's," Accepted for publication in Romanian Journal of Physics

(RJP), 2017, ISI journal with impact factor 1.398;

▪ În acest articol a fost publicata arhitectura standului de test pentru măsurarea

rezistenței la radiație a ASIC-ului SPACIROC2 și MAROC3. S-au descris efectele

cumulative și singulare induse de radiație alături de metodele utilizate pentru

măsurarea lor.

[2] M. K. Baszczyk, M. Benettoni, L. Cojocariu et al, "Test of the photon detection

system for the LHCb RICH Upgrade in a charged particle beam," Journal of

Instrumentation, vol. 12, pp. P01012-P01012, 2017, DOI: 10.1088/1748-

0221/12/01/p01012, ISI journal with impact factor 1.310;

▪ În acestă lucrare s-au prezentat testele efectuate în fascicol de protoni a versiunii

prototip de celulă elementară populată cu MaPMT din seria Hamamatsu R11265

conectați la placa ”front-end” implementată cu ASIC-ul CLARO.

[3] L. N. Cojocariu, V. M. Placinta, and L. Dumitru, "Monitoring System for Testing the

Radiation Hardness of a KINTEX-7 FPGA," 9th International Physics Conference of

the Balkan Physical Union (Bpu-9), vol. 1722, p. 140009, 2016, DOI:

10.1063/1.4944199, (ISI Proceeding);

▪ Arhitectura standului de test pentru măsurarea toleranței la radiație a FPGA-ului

KINTEX-7 a fost publicată alături de prima arhitectură de firmware pentru iradiere

folosită la testele efectuate la SIRAD, Legnaro. De asemenea, impactul SEL și SEU

în elementele logice din FPGA a fost simulat.



34

CONCLUZII

[4] M. Prelipceanu, L. Cojocariu, A. Graur, and S. Schrader, "Analysis of thermally

stimulated processes in new phenanthroline derivatives suitable for optoelectronic

devices," Journal of Physics: Conference Series, vol. 585, p. 012011, 2015 DOI:

10.1088/1742-6596/585/1/012011, (ISI Proceeding);

▪ Acest studiu prezintă un compus adecvat pentru dispozitivele optoelectronice ce pot

avea aplicabilitate de asemenea și în experimentele fizicii energiilor înalte.

[5] R. Aaij, B. Adeva, L. Cojocariu et al, LHCb Collaboration, "Search for long-lived

heavy charged particles using a ring imaging Cherenkov technique at LHCb,"

European Physical Journal C, vol. 75, Dec 2015, DOI: 10.1140/epjc/s10052-015-

3809-7, ISI journal with impact factor 4.912;

▪ Aici s-a publicat o analiză în detaliu a performanțelor sub-detectorilor RICH în

deosebirea mionilor de particule grele sau încete. Studiul a fost efectuat pentru

ciocniri de protoni-protoni la energii de 7 TeV și 8 TeV.

[6] R. Aaij, B. Adeva, L. Cojocariu et al, LHCb Collaboration, "LHCb detector

performance," International Journal of Modern Physics A, vol. 30, Mar 10 2015, DOI:

10.1142/s0217751x15300227, ISI journal with impact factor 2.373.

▪ Pe baza datelor culese în perioada 2010 - 2012, prezentul studiu își dorește să

evalueze performanțele detectorului LHCb printr-o analiză amănunțită a fiecărui

sub-detector, inclusiv RICH. Rezultatele scot în evidență rolul detectorului LHCb

în investigarea blocurilor constructive ale materiei și antimateriei.

B. Participări la conferințe:

1. L.N. Cojocariu, F. Maciuc, V.M. Placinta, ”Experimental study on Soft Error

Mitigation Core (SEM IP) efficiency”, Workshop on Sensors and High Energy Physics

(SHEP 2016), Stefan Cel Mare University of Suceava (USV), Suceava, Romania, 21 –

22 October 2016.

2. V.M. Placinta, L.N. Cojocariu, ”Test bench for ASIC radiation hardness evaluation”,

Workshop on Sensors and High Energy Physics (SHEP 2016), Stefan Cel Mare

University of Suceava (USV), Suceava, Romania, 21 – 22 October 2016.

3. L.N. Cojocariu, V.M. Placinta, ”Designing and implementing test benches for

radiation hardness qualifications of readout electronics from LHCb RICH

photodectors”, The 15th International Balkan Workshop on Applied Physics (IBWAP),

July 2-4 2015, Ovidius University of Constanta, Romania, IBWAP Book of abstracts,

pp. 103-104.

4. V.M. Placinta, L.N. Cojocariu, ”Practical test bench used for testing Photomultiplier

Tubes, type MaPMT”, The 15th International Balkan Workshop on Applied Physics

(IBWAP), July 2-4, 2015, Ovidius University of Constanta, Romania, IBWAP Book of

abstracts, pp. 115.

C. Alte lucrări în domeniul electronicii aplicate:

1. L.N. Cojocariu, F. Maciuc, V.M. Placinta, ”Experimental study on Soft Error

Mitigation Core (SEM IP) efficiency”, Workshop on Sensors and High Energy Physics

(SHEP 2016), Stefan Cel Mare University of Suceava (USV), Suceava, Romania, 21 –

22 October 2016.

35

CONCLUZII

2. V.M. Placinta, L.N. Cojocariu, ”Test bench for ASIC radiation hardness evaluation”,

Workshop on Sensors and High Energy Physics (SHEP 2016), Stefan Cel Mare

University of Suceava (USV), Suceava, Romania, 21 – 22 October 2016.

3. L.N. Cojocariu, V.M. Placinta, ”Designing and implementing test benches for

radiation hardness qualifications of readout electronics from LHCb RICH

photodectors”, The 15th International Balkan Workshop on Applied Physics (IBWAP),

July 2-4 2015, Ovidius University of Constanta, Romania, IBWAP Book of abstracts,

pp. 103-104.

4. V.M. Placinta, L.N. Cojocariu, ”Practical test bench used for testing Photomultiplier

Tubes, type MaPMT”, The 15th International Balkan Workshop on Applied Physics

(IBWAP), July 2-4, 2015, Ovidius University of Constanta, Romania, IBWAP Book of

abstracts, pp. 115.

D) Lucrări în calitate de membru al listei de autori în colaborarea LHCb:

Peste 100 de articole și studii publicate în jurnale cu factor de impact ridicat.

Universitatea ”Ștefan cel Mare - USV · 4.2 Test de iradiere cu fascicul de 200 MeV protoni ......

Documents

Transcript of Universitatea ”Ștefan cel Mare - USV · 4.2 Test de iradiere cu fascicul de 200 MeV protoni ......